万有引力定数（G）：定義、測定、重要性

定義、単位、一般に引用される値

国際単位系（SI）において、Gの単位はニュートン・平方メートル毎キログラム平方（N·m²/kg²）である。現代の測定によるその受容値はおよそ6.67430×10−11 N·m²/kg²であり、実験室での実験によって決定される不確かさを伴って示されることが多い。Gは点質量の尺度において力、質量、距離を結び付けるため、電磁気学や量子力学において他の定数が尺度を定めるのと同様に、重力相互作用の絶対的な尺度を与える。測定量としての定数に関する背景は、実験的定数および計量学の資料を参照。

測定と実験上の課題

Gの測定は技術的に困難である。典型的な実験では、既知の距離に配置した既知の質量が生じさせるごく小さな重力トルクまたは偏位を比較する。しばしばねじり天秤、梁天秤、原子干渉計が用いられる。不確かさの原因には、機械的な位置合わせ、周囲の振動、熱的効果、ならびに極めて微弱な力を背景の影響から分離する難しさが含まれる。こうした課題のため、高精度の測定を行う異なる研究所は歴史的にわずかに異なる値を報告してきた。共同での取り組みと技術の改善によって不一致は小さくなったが、測定の精度は依然として多くの他の基本定数より低い。実験手法については、ねじり天秤法および現代的な技術を参照。

歴史と発展

普遍的な重力法則と比例定数という概念は、17世紀のアイザック・ニュートン卿とともに生まれた。ニュートンの定式化は、質量間の力を距離の二乗に反比例するものとして関係付け、普遍定数の考え方を導入したが、その数値を決定するには至らなかった。直接的な実験室での決定は18世紀にキャヴェンディッシュの実験から始まり、計測機器の改良に伴って19世紀から20世紀にかけて発展した。後にこの定数の役割は一般相対性理論に組み込まれ、そこでは質量エネルギーと時空の曲率を結び付ける。歴史的な概説は、歴史的レビューおよび科学者の伝記で利用できる。

用途、例、重要性

• ニュートン力学の重力：天体間の力、惑星運動、軌道力学を計算する。
• 天体物理学と宇宙論：他のパラメータと組み合わせることで、恒星やブラックホールの質量、銀河の力学を決定する助けとなる。
• 基礎物理学：Gは光速およびプランク定数と組み合わせたときにプランク尺度を定め、重力と量子単位を結び付ける。

その応用は、人工物の軌道を設計することから、重力による影響を基に遠方の天体の質量を推定することまで及ぶ。実用的な用途と数値例については、応用重力学で追加情報を得られる。

区別すべき点と注目点

普遍的な万有引力定数Gを、局所的な重力加速度g（「小文字のg」と呼ばれることもある）と混同しないことが重要である。gは特定の重力場で物体が受ける加速度を表し、たとえば地表付近では約9.8 m/s²である。Gは、測定されている範囲では自然界の固定された定数であるのに対し、gは場所や近傍にある質量の分布によって変化する。簡潔な比較および歴史的実験については、関連する物理学資料および測定の概要を参照。